一种碳微晶材料及其合成方法与流程

本发明涉及一种新型碳微晶材料及其合成方法，属于无机非金属材料领域。
背景技术：
：纳米材料因其独特的物理化学和光学特性，已成为材料科学领域的研究热点。其中，碳纳米材料成为绿色纳米技术中最具有研究活力和发展潜力的一类纳米材料。碳纳米材料形态多样且具备优异的导电性、良好的生物相容性、稳定的化学性能和大的比表面积等优势，在电子学、光学、催化化学、生物医学以及传感器等领域中得到广泛应用。目前，零维的富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯，在材料科学、生命科学和传感器等领域已经取得很大的进展。作为新型的、零维碳纳米材料，碳量子点不仅具有类似于传统量子点的发光性能与小尺寸特性，而且还具有水溶性好、生物毒性低和导电性好的优势，使其在生物成像、生物标记、传感器、光催化、发光二极管等领域受到极大关注。作为类石墨材料g-c3n4（石墨相氮化碳），其化学性能稳定，不溶于大多数溶剂。作为多功能不含金属的聚合物半导体材料，由于其独特的电子带隙结构及表面组成性质而被广泛应用，在多相催化领域表现出较高的催化活性。g-c3n4有类似于石墨的层状结构，其层与层之间是通过范德华力相互作用堆叠在一起，具有似苯环的大π键，形成高度离域的共轭体系。以有机物为原料制备纳米碳材料时，有机物在空气中（或惰性气氛下）加热到较高温度时，将发生一系列的化学反应，所含的h、o、n等元素含量不断减少，经历碳化过程形成碳材料。随着温度的升高，有机物中化学键部分发生断裂，并形成更稳定的键。一般在生成低分子（如co2、h2o和少量焦油等）同时，还会发生芳构化和芳香环的缩合、聚合过程，其过程取决于原料的组成结构和环境条件。在温度低于800℃时，得到的碳材料通常以无定形碳形式存在，没有宏观的晶体学性质，其结构特点是：层平面不完整，存在空穴、位错、杂原子以及其他杂质等各种缺陷；层平面不像石墨那样有序，择优取向性差；层间距大，且层间有碳原子或其他基团；尺寸较小等。只有在更高的温度下才将逐步向有序的石墨结构转化。因此制备新型功能性的纳米碳材料，关键是设计构筑其构―效关系，选择结构精准可控的合成方法。技术实现要素：针对目前制备含碳纳米功能材料的技术难题，本发明的目的在于提供一种具有特定结构与性能的新型碳微晶材料；另一目的在于提供一种简便的、低成本、可靠的新型碳微晶材料的合成方法。为实现本发明目的，制备建立可控的制备方法是关键。为此，本发明通过大量的科学实验研究，发现采用热缩聚合成法，通过热诱导c源的前驱物发生一系列的缩聚反应形成碳微晶。具体技术方案如下：通过如下方法制备得到碳微晶材料：1、分别称取有机物、无机催化剂机械混合均匀，行星式球磨机研磨，转速为250~400转/分钟处理10~30分钟。有机物/无机催化剂质量比范围优选：10～4∶1。2、将上述混合后物料放入坩埚中，以3~10℃/分钟速率升温，在马弗炉中500~650℃下焙烧1~2小时；3、然后冷至室温，用去离子水洗涤至中性ph=7.0；在60℃~80℃温度下干燥，再研磨和过筛，得到碳微晶材料。所述有机物选：葡萄糖、蔗糖、纤维素等单糖、低聚糖或多糖其中之一或两种以上成分作为碳源。所述无机盐催化剂选：碳酸氢钠或其与碳酸钠的混合物。本发明优点及创新点在于：采用廉价的有机物作为碳源、无机盐为催化剂，利用热缩聚合成法制备了新型碳微晶材料。试验表明，所合成的碳微晶具有较大的比表面积、丰富的孔结构和化学稳定性，分子结构中官能团丰富，含有sp2和sp3杂化的c原子，存在共轭分子体系。利用此碳材料可与环境光催化材料形成杂化结构或构成异质结，能显著地提高光催化材料吸附性能和催化效率，拓展了其应用。经本发明验证，合成的碳微晶材料与g-c3n4光催化材料杂化复合后，表现出较强的吸附性能和显著的光催化活性。为碳微晶在环境和能源领域的应用提供了实验和理论基础，有望成为合成新型碳材料的通用和重要的方法。附图说明图1为本发明制备的碳微晶样品的扫描电镜图，图中，a-未处理、b-经过后处理；图2为本发明制备的碳微晶样品的xrd分析图谱；图3为在不同焙烧温度下本发明碳微晶样品的红外光谱图；图4为在不同焙烧温度下本发明碳微晶样品的拉曼光谱图；图5为微波法制备的本发明c/g-c3n4光催化材料的可见光性能及反应速率常数，图中，a-可见光性能，b-反应速率常数；图6为超声法制备的本发明c/g-c3n4光催化材料的可见光性能及反应速率常数，图中，a-可见光性能，b-反应速率常数。具体实施方式为对本发明进行更好地说明，举实施例如下：实施例1通过如下方法制备得到本发明碳微晶材料：1、分别称取葡萄糖、碳酸氢钠和碳酸钠机械混合均匀，行星式球磨机研磨，转速为400转/分钟处理15分钟。葡萄糖和碳酸氢钠、碳酸钠混合物的质量比范围优选：9∶1。2、将上述混合后物料放入坩埚中，以9℃/分钟速率升温，在马弗炉中500~650℃下焙烧1~2小时；3、然后冷至室温，用去离子水洗涤至中性ph=7.0；在80℃温度下干燥，再研磨和过筛，得到碳微晶材料。实施例2通过如下方法制备得到本发明碳微晶材料：1、分别称取低聚糖和碳酸氢钠机械混合均匀，行星式球磨机研磨，转速为250转/分钟处理30分钟。葡萄糖和碳酸氢钠、碳酸钠混合物的质量比范围优选：5∶1。2、将上述混合后物料放入坩埚中，以4℃/分钟速率升温，在马弗炉中500~650℃下焙烧1~2小时；3、然后冷至室温，用去离子水洗涤至中性ph=7.0；在60℃温度下干燥，再研磨和过筛，得到碳微晶材料。表1本发明制备的碳微晶样品的比表面积及孔径分析样品比表面积（m2/g）吸附总孔体积(cm3/g)吸附平均孔径(nm)500℃105.2520.1084.185550℃215.6050.1953.579600℃76.0640.0914.628应用例在环境光催化领域应用性能评价实验：所采用试样为本发明制备的碳微晶掺杂改性的聚合物半导体g-c3n4(石墨相氮化碳)，即碳微晶/氮化碳（c/g-c3n4），利用500w氙灯、420nm滤光片作为可见光源，用1×10-5mol/l的罗丹明溶液作为目标降解物。性能评价实验在光化学反应仪上完成。具体操作步骤：准确称量25mg本发明碳微晶/氮化碳作为复合催化剂，将其分散于50ml的罗丹明溶液中，得到悬浮液；将悬浮液进行超声分散10min，避光搅拌30min。然后进行光反应，取样间隔20min，反应时间2h。取样进行离心分离，取其上清液用分光光度计在吸收波长λ=554nm下测量吸光度。实验结果见图5、6，可以看出：两种方法所制备的碳微晶掺杂改性的系列c/g-c3n4复合催化剂的活性均与碳微晶的含量有关，其中以0.3%-c/g-c3n4样品的催化效果最佳。微波法所制备0.3%-c/g-c3n4样品对rhb降解率达61%，反应速率常数是纯g-c3n4约1.5倍；超声法所制备0.3%-c/g-c3n4样品对rhb降解率达51%，反应速率常数是纯g-c3n4约1.2倍。当前第1页12